분자 케이지(cage)로 촉매 감싸 활성‧안정성 동시 구현
분자 보호하는 금속유기-단위입자로 CO2변환 광촉매 효과 향상
□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 최경민‧김우열 교수 연구팀(숙명여대)이 새장(birdcage)처럼 케이지 형태로 촉매를 감싸 분자촉매의 효율을 떨어뜨리지 않으면서 안정성을 높일 수 있는 실마리를 찾아냈다고 밝혔다.
□ 화학반응이 원활하게 이뤄지도록 돕는 촉매(catalyst)는 고부가가치 화학제품을 만들 수 있는 ‘마법사의 지팡이’로 불린다.
ㅇ 특히 널리 쓰이는 금속촉매와 달리 작은 분자 하나하나가 반응에 관여하는 분자촉매※는 활성이 높아 미래의 촉매로 주목받지만, 반응과정에서 서로 결합해 다른 화합물로 변하기 쉬워 활용이 어려 웠다.
※ 분자촉매 : 태양광을 이용해 원하는 화학반응을 촉진하거나 오염물을 분해할 수 있는 물질. 높은 활성과 선택성을 보이지만 반응 중 불안정한 구조로 인해 안정성이 낮음
□ 때문에 다른 입자와 결합시켜 분자촉매의 안정성을 높이는 방법이 주로 이용됐다. 하지만 이 경우 안정성을 얻는 대신 활성이 낮아지는 단점이 있었다.
□ 이에 연구팀은 각 분자촉매를 속이 비어 있는 사면체 케이지 형태 입자에 넣는 방식으로 안정성과 활성 두 마리 토끼를 모두 잡는데 성공했다.
ㅇ 각각의 케이지가 용액 중에서 분산된 형태로 존재, 안에 든 분자촉매가 서로 만나지 못하게 함으로써 본래 활성을 유지하면서 안정성도 잃지 않는 원리다.
□ 구체적으로 약 1.5 나노미터(㎚) 크기인 금속유기-단위입자※로 된 케이지 안에 분자촉매를 하나씩 결합, 각 촉매분자들이 떨어져 있도록 유도함으로써 다른 화합물로 변하는 것을 방지했다.
※ 금속유기-단위입자(metal-organic polyhedra) : 선택된 방향으로만 결합할 수 있는 금속산화물과 유기링커의 결합으로 된 1~ 2nm 정도의 나노입자
ㅇ 실제 24시간 동안 보호 케이지 안에 담긴 광촉매의 반응활성을 측정한 결과 반응성능이 42배 이상 증가했으며, 단위시간당 활성도 일정하게 유지됐다.
□ 다양한 분자촉매를 담을 수 있는 플랫폼을 개발하고 실제 촉매에 적용한 사례로 향후 오염물 분해반응, 유기합성, 전기화학반응 등 다양한 반응에서 촉매의 활성과 안정성을 높이는 데 실마리가 될 것으로 기대된다.
ㅇ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(신진중견연계)의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 국제학술지 ‘에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 10월 29일 자로 게재되었으며, 프린트판의 표지논문으로 추천되었다.
